水肥一体化条件下控灌稻田土壤氮素及水稻生长特性研究

李 帅，卫 琦*，徐俊增,2，王海渝，周姣艳

（1.河海大学 农业科学与工程学院，南京210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098；3.昆山市城市水系调度与信息管理处，江苏 昆山215300）

0 引 言

【研究意义】水稻是占据我国粮食种植总面积1/3 的作物[1]，合理的水肥管理是实现水稻高产、保障农民增收的关键[2]。然而，我国水稻种植区目前还普遍存在着过量施肥、氮肥利用效率低、农业面源污染严重等问题[3-5]。因此，探求适宜的水肥管理模式，对于提高氮素利用效率、减少农业面源污染具有重要指导意义。

【研究进展】关于水稻施肥管理的研究，目前已有大量学者从肥料品种、施用量、施肥配比（基肥、蘖肥、穗肥的三者比例）等方面开展了大量研究。但稻田施肥除了基肥混入土壤外，绝大部分还是采用人工撒施的方式完成追肥，少部分学者针对无人机或喷肥器施肥开展了研究[6-7]。

人工撒施的劣势在于施肥过程中损失较大，有文献显示，人工撒施肥料的有效利用率仅有30%～35%[8-9]，而肥料损失率最高可达70%[10-12]，且其施肥均匀度对施肥人员的经验依赖程度较强。因此采用先进的施肥方式是提升稻田施肥管理水平与肥料利用效率的一个重要举措。

水肥一体化技术被证明具有提高水分和肥料利用率[13]、减少氮素的淋溶损失、提高施肥均匀度[14]等优势，因此得到了愈加广泛的应用。目前，关于水肥一体化施肥方式对土壤氮素、作物生长及产量的影响，学者已经开展了大量的研究[15-17]。例如，Sharmasarkar等[15]研究表明，采用滴灌水肥一体化施肥方式，可以对土壤氮素（NH4+-N和NO3--N）进行有效调控，减缓氮素的深层渗漏和淋溶损失。Singandhupe等[16]研究表明，水肥一体化施肥方式能够显著降低氮肥的淋溶损失与深层渗漏，且可以对于作物根层水分进行有效管控；与传统沟灌施肥相比，水肥一体化施肥方式能够增产3.7%～12.5%，节约灌溉水31%～37%。但借鉴这一技术的稻田水肥一体化研究刚刚起步，仅有少量的类似研究。如陈锐浩等[18]采用随水冲施的方式开展了2～4 次追肥次数下水稻生长及经济效益的研究，结果表明大部分产量指标（实粒数和空秕率除外）相对人工撒施有所增加，且均随施肥次数的增加呈先增大后减小趋势，其中以追肥3 次处理的产量最高、经济收益最大。窦超银等[19]采用盆栽试验，模拟研究了肥水灌溉不同施肥量对水稻生长和产量的影响，结果表明，水稻茎蘖数和株高均随施肥量的增加呈先增大后减小趋势，采用肥水灌溉方式可以适当减少氮肥用量、而不影响水稻生长和产量。【切入点】综上，以往研究重点关注了水肥一体化条件下不同施肥管理对稻田水稻生长及产量的影响，但借助水肥一体化灌溉施肥装备实现灌水过程中连续、稳定、均匀的施肥，研究其对稻田土壤氮素分布特征及其均匀度、水稻生长与产量等的影响，相关研究还有待开展。穗肥作为影响水稻灌浆的重要追肥，不仅能提高抽穗期和灌浆期水稻的根系活力和叶片光合能力，而且能够促进光合物质的积累及其向籽粒中的分配[20-21]。考虑到水稻穗肥会直接影响到水稻灌浆以及最终的产量，因此，对水稻穗肥的研究显得尤为重要。然而，结合水肥一体化施肥方式，开展水稻穗肥管理对土壤氮素分布以及水稻生长、产量变化等方面的研究还鲜有报道。

【拟解决的关键问题】本研究以节水灌溉稻田为例，针对水稻产量影响最为重要的追肥-穗肥，开展施肥方式与施肥量次组合的试验，研究水肥一体化施肥方式结合减量分次施肥对控制灌溉稻田土壤氮素分布及水稻生长和产量的影响，以期促进稻田水肥一体化技术的推广应用。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2020年6—10月在河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山排灌试验基地（31°15′15″N，120°57′43″E）进行。试验区属于亚热带南部季风气候，年平均降水量为1 097.1 mm，年日照时间为2 085.9 h，年均气温为15.5 ℃，年平均无霜期为234 d。试验基地土壤类型为潴育型黄泥土，稻田耕层土壤质地为重壤土，0～18 cm 土层土壤TN、TP 和TK 量分别为1.79、1.4 g/kg 和20.86 g/kg，0～30 cm 土壤体积质量为1.32 g/cm3。

试验在长为10 m、宽为15 m 的小区内进行，小区四周为混凝土田埂（埋深1 m）。供试水稻品种为南粳46 号，株行距为13 cm×25 cm，每穴3～4 株，6月25日移栽、10月25日收割。

1.2 试验设计

当地水稻全生育期共施加1 次基肥和2 次追肥（蘖肥和穗肥）。本研究针对穗肥开展，试验共设计2 个因素：施肥方式、施肥量与频次。其中施肥方式包括传统人工撒施（记为H）和水肥一体化施肥（记为A）；施肥量与频次包括常规施肥水平1 次施用（碳酸氢铵（含氮量>17.1%），367 kg/hm2，F）和减量施肥两次施用（碳酸氢铵，267 kg/hm2，R）。共计4 个处理，分别为HR（人工撒施减量2 次施用）、AR（水肥一体化减量2 次施用）、HF（人工撒施常规施肥1次施用）、AF（水肥一体化常规施肥1 次施用）。各小区单独灌排，其中灌溉水源来自周边河水，通过试验基地内泵站抽取河水，并经过低压管道输送至田间进行灌溉。各小区实时灌水流量和累积灌水量通过各试验小区的电磁流量计（量程：0～30 m3/h）进行计量。常规施肥处理于8月18日施用碳酸氢铵（含氮量>17.1%）367 kg/hm2（折合5.5 kg 碳酸氢铵/小区），减量施肥处理于8月18日和9月15日分2 次施用碳酸氢铵，每次133.5 kg/hm2（折合2.0 kg 碳酸氢铵/小区），减施水平为27%。各处理前期的基肥和蘖肥相同，分别于6月26日和7月5日施用，基肥为复合肥（含氮量>16%）525 kg/hm2和尿素（含氮量>46.2%）225 kg/hm2，蘖肥为碳酸氢铵367 kg/hm2（含氮量>17.1%）。各处理施用穗肥前，田内水层深度均保持为5 cm 水层。在水稻全生育期内，均采用控制灌溉模式，控制灌溉稻田田间水层管理见表1[22]。

肥胖与乳腺癌、胰腺癌、肝癌、甲状腺癌、膀胱癌、卵巢癌、非霍奇金淋巴瘤等恶性肿瘤相关[4, 13-15]。肥胖的恶性肿瘤患者常预后不良，但肥胖促进肿瘤进展，导致患者预后不良的机制尚不清楚。研究[16-17]认为，肥胖患者循环中性激素水平较高是某些荷相关肿瘤患者预后不佳的原因之一。研究[18]提示，能量摄取失衡可能影响基因组的稳定性，造成生长信号传导失调，细胞能量代谢紊乱、凋亡抑制。而这些因素是肿瘤发生发展的关键因素。

表1 水稻控制灌溉各生育阶段土壤水分控制指标Table 1 Soil moisture control index of rice growth stage under controlled irrigation

水肥一体化施肥装置采用自主研发的水肥一体化施肥器。该装置包括数据处理系统、驱动系统、动力系统和数据录入系统，其主要原理是：根据输入的稻田灌水定额与单次施肥总量，计算得到施肥过程中需要保持的水-肥溶液的体积比；并根据测流系统对灌溉流量的实时监测结果，控制系统通过实时计算的施肥量进一步控制蠕动泵将相应体积的肥液输送到稻田灌水口。开展试验时，将该水肥一体化施肥装置放置于田间低压管道放水口处，并在该放水口处安装电磁流量计，电磁流量计与施肥装置相连接。当进行灌水时，施肥装置收到电磁流量计所采集的瞬时流量数据，经计算后，得到对应的施肥量，并控制蠕动泵送对应量的肥液至放水口，实现水肥一体化施肥。

1.3 测定指标与方法

试验过程中，分别在2 次穗肥施用后的第3 天（8月20日和9月17日）对0～10、10～20 cm 和20～40 cm土层的土壤样品进行采集，每个小区设置7 个取样点进行采样。4 个处理依次排列，各小区沿田埂长度方向左右二侧各取3 个点，间隔7.5 m，并在小区中心位置取1 点，每小区共计取7 个点。采集的土样装入自封袋中（长15 cm，宽10 cm）带回实验室。先将土样中的植株根系、碎石剔除，然后按照KCl 浸提-分光光度法和紫外分光光度法对土壤样品中的NH4+-N 和NO3--N 量进行测定[23]。选用各取样点数据的平均值用来进行处理间对比，并计算土壤氮素分布均匀度以反映施肥的均匀度[24-25]，计算式为：

式中：xi为第i个观测值；x¯为均值；N为取样点个数。

此外，在水稻全生育期内，对水稻的主要生长指标（茎蘖、株高）和最终的产量进行定期测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 与IBM SPSS Statistics 22对土壤氮素及水稻生长及产量数据进行统计与分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较分析（差异显著性水平为p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 水肥一体化条件下控制灌溉稻田土壤氮素分布

2 次穗肥施用后各处理土壤氮素结果显示（表2），与人工撒施处理相比，水肥一体化处理各土层的NH4+-N 量均有所增大、NO3--N 量均有所降低。减量施肥2 次施肥后，各土层的NH4+-N 量相对常规施肥有所提高，且水肥一体化处理提升作用更明显，说明减量分次施肥能够在减量的前提下保持较高的土壤氮肥水平，而相对于传统撒施，水肥一体化施肥方式能够降低氮肥施用过程中的损失。

从分次施肥的第1 次穗肥施用后各处理土壤氮素量（表2），可以看出，不同处理土壤NH4+-N 量均随土层深度的增加均呈逐渐减小趋势，而NO3--N 量则正好相反。其中对于土壤NH4+-N 而言，其量主要维持在14.73～71.82 mg/kg 范围内，大小关系表现为：AF 处理＞HF 处理＞AR 处理＞HR 处理（p＜0.05）。而对于土壤NO3--N 来说，各处理的量均显著低于土壤NH4+-N 量，且不同处理间的大小关系也与土壤NH4+-N 有所不同，表现为：HF 处理＞AF 处理＞HR处理＞AR 处理（p＜0.05）。在同一种施肥方式下，由于减量分次施肥单次施肥量远低于常规施肥（仅为常规施肥的36.4%），其各土层的NH4+-N 量和NO3--N量均显著低于常规施肥处理的值。同一施肥量情境下，水肥一体化施肥提高了各层土壤中的NH4+-N 量，一定程度上降低了土壤NO3--N 量。以0～10 cm 土层为例，常规施肥量下A 处理的NH4+-N 量分别较H 处理提高了33.0%。减量分次施肥下，AR 处理比HR 处理提高了38.3%。说明在相同施肥量条件下，水肥一体化施肥方式能够提高稻田土壤的NH4+-N 量。

表2 各处理施用穗肥后不同土层土壤含氮量Table 2 Soil nitrogen content in different soil layers after applying panicle fertilizer in each treatment mg/kg

分次施肥处理第2 次穗肥施用后（表2），各处理土壤NH4+-N 量均随土层深度的增加呈现逐渐减小趋势，而NO3--N 量则正好相反。其中对于土壤NH4+-N而言，各处理土壤NH4+-N 量的变化范围为19.78～35.73 mg/kg，大小关系表现为：AR 处理＞AF处理＞HR 处理＞HF 处理（p＜0.05）。各处理土壤NH4+-N 量之间的对比关系与第1 次存在显著差异，在相同施肥方式条件下，减量分次施肥处理的土壤NH4+-N 量显著高于常规施肥处理，其量范围为22.90～35.73 mg/kg，大小关系表现为：AR 处理＞AF处理＞HR 处理＞HF 处理（p＜0.05）。产生这种现象的原因可能是由于减量分次的施肥管理提高了作物对氮素的吸收利用、减缓了氮素的转化过程。而对于NO3--N 来说，各处理土壤NO3--N 量显著减小，相较于NH4+-N 量，降幅主要维持为41%～90%范围内，且其大小关系也与NH4+-N 有所不同，表现为：HF 处理＞AF 处理＞HR 处理＞AR 处理（p＜0.05）。

综合各处理穗肥施用后的2 次土壤氮素结果，可以看出，减量分次施肥能够为稻田土壤提供长期稳定的NH4+-N，又能减缓土壤氮素的淋溶损失（NO3--N），采用水肥一体化施肥方式能够降低施肥过程中的损失，具有更高的施肥有效性，在减少37.5%施肥量的情况下，水肥一体化减量分次施肥的土壤NH4+-N 量高于常规方式和常规施肥量。因此，该施肥方式是一种具有提高氮素利用效率、降低面源污染排放等潜力的施肥管理策略。

2.1.2 土壤氮素分布均匀度

2 次穗肥施用后各处理土壤氮素分布均匀度可以反映施肥的空间分布均匀度（表3）。各处理土壤氮素分布均匀度指标CU之间的大小关系均表现为：AR处理＞AF 处理＞HF 处理＞HR 处理。且与人工撒施相比，水肥一体化方式各土层的NH4+-N 和NO3--N分布均匀度均显著增大（p＜0.05）。与常规施肥水平相比，水肥一体化方式在减量分次施肥水平下的土壤NH4+-N 和NO3--N 分布均匀度均呈不同程度的增加，而人工撒施方式的土壤NH4+-N和NO3--N分布均匀度则有所减小。对比不同土层的氮素分布均匀度，可以看出0～10 cm 和20～40 cm 土层的NH4+-N 和NO3--N分布均匀度均大于10～20 cm 土层的值，但土壤NH4+-N 和NO3--N 的分布均匀度最大值分别在0～10 cm 和20～40 cm 土层。此外，与第1 次穗肥施用后土壤氮素分布均匀度相比，第2 次穗肥施用后各处理的土壤NH4+-N 分布均匀度有所增加，而NO3--N 分布均匀度则没有明显变化。

表3 各处理不同深度土壤氮素分布均匀度Table 3 The distribution uniformity of soil nitrogen content in different depths under different treatments

2.2 水稻生长变化

2.2.1 水稻茎蘖

由于前期水肥管理一致，因此各处理的水稻分蘖数变化规律在第1 次穗肥施用前基本一致，均呈快速增长趋势（表4）。而在穗肥施用后，水肥一体化方式的分蘖数变化与人工撒播处理出现了差异，其具体表现为：第1 次穗肥施用后，处理间大小关系表现为：AF 处理＞HF 处理＞AR 处理＞HR 处理，即单次施肥水平高的处理的茎蘖数量较大；而在第2 次穗肥施用后，AR 和HR 处理施用了第2 次肥料，分蘖数呈一定幅度的补偿性增加，并逐渐高于相同施肥方式下的AF 处理和HF 处理。此后，从水稻乳熟期直至水稻收获，各处理水稻分蘖数基本保持不变，其大小关系最终表现为AR 处理＞AF 处理＞HR 处理＞HF 处理（p＜0.05）。整体上，水稻全生育期内的分蘖数最大值出现在9月23日，其中以AR 处理的值最大（15.5 个），其分蘖数分别较AF、HR 处理和HF处理的值增大了9.4%、18.0%和28.0%。

表4 不同处理水稻全生育期茎蘖变化特征Table 4 Variation characteristics of tiller in whole growth period of rice under different treatments 个

2.2.2 水稻株高

与人工撒施处理相比，水肥一体化处理的株高在第1 次穗肥施用前的变化规律均较为相似，即逐渐增大的变化趋势（表5）。而后，随着施肥方式和施肥量的变化，减量分次施肥处理的株高增长幅度呈增大趋势，且单次施肥量大的处理增加更快、水肥一体化处理高于人工撒施处理，其增加快慢关系为AF处理＞HF 处理＞AR 处理＞HR 处理。第2 次施肥后，减量分次施肥处理的株高迅速增大，且AR 处理高于AF 处理和HF 处理。至水稻收获时，各处理水稻株高大小关系表现为AR 处理＞AF 处理＞HR 处理＞HF 处理（p＜0.05）。整体上，各处理水稻株高最大值均出现在10月14日前后，其中以AR 处理的值最大（92.7 cm），其株高分别较HR、HF 处理和AF 处理的值增大了7.7%、11.7%和4.0%。

表5 不同处理水稻全生育期株高Table 5 Plant height of rice with different treatments during the whole growth period cm

2.3 水稻产量

不同处理水稻产量及其构成因素如表6 所示，可以看出，除结实率外，水肥一体化处理的产量、千粒质量、每穗实粒数、有效穗数和穗长均高于人工撒施处理（p＜0.05）。整体上，各处理水稻产量之间的大小关系为：AR 处理＞AF 处理＞HR 处理＞HF 处理（p＜0.05），其中AR 处理的产量最高，为9 246.6 kg/hm2，分别较AF、HR 和HF 处理提高了7.1%、11.1%和18.0%。总体上，在不同施肥水平条件下，水肥一体化处理的产量较人工撒施处理产量分别提高了10.2%（常规施肥水平）和11.1%（减量施肥水平）；而在不同施肥方式条件下，减量施肥处理的产量比常规施肥水平的值分别高7.1%（水肥一体化）和6.3%（人工撒施）。

表6 不同处理水稻产量及其构成因素Table 6 Rice yield and its components under different treatments

3 讨论

3.1 关于水肥一体化施肥方式

施肥方式不仅影响土壤氮素的迁移转化，还影响作物对氮素的吸收利用[26-27]。水肥一体化施肥方式能够促进外源氮向土壤NH4+-N 的转化，减缓向NO3--N的转化，并提高作物对氮素的吸收与转运[28-31]。

本研究中，与人工撒施处理相比，水肥一体化处理提高了土壤各层NH4+-N量，降低土壤NO3--N量（表2）。原因在于水肥一体化处理施入田间的氮肥为液态，氮素可以随水均匀进入稻田，便于土壤吸附，且减少了施肥过程中的损失[32]。而对于人工撒施处理来说，由于施肥过程中受到植物冠层叶片截留、随风飘失等因素的影响[34]，存在较大程度的施肥损失。

此外，水肥一体化处理能够有效提高施肥均匀度（表3）。2 次穗肥施用后土壤NH4+-N 和NO3--N 的分布均匀度结果均表现为AR 处理＞AF 处理＞HF 处理＞HR 处理，表明水肥一体化施肥方式较人工撒施具有更好的施肥均匀度，有助于小区内水稻整体长势的同步增长。相似地，张志洋等[35]研究结果也表明水肥一体化方式能够提高施肥均匀度10.6%～11.8%。产生上述现象的原因在于水肥一体化施肥方式能够实现肥料连续、均匀地施入田间，达到提高土壤氮素分布均匀度的效果，而人工撒施具有落点随机性大的特点，因此其均匀度更加难以控制。

与人工撒施相对比，水肥一体化条件下减量分次施肥不仅促进了稻田土壤铵氮量、施肥均匀度的增加，还能够有效改善水稻整体长势与产量（表4 和表5）。窦超银等[19]、胡伟等[36]对水肥一体化条件下晚稻产量的研究也得到了类似结论：水肥一体化条件可提高产量6.7%～8.0%。原因在于水肥一体化条件能够有效减少施肥过程中的无效损失与施肥后的氨挥发损失，在相同施肥量下能显著提高土壤铵氮量，能够长时间为作物提供稳定的养分供应。此外，由于其施入的氮肥为离子态，能够随着灌溉水的运移而不断扩散，有助于施肥均匀度的提升和水稻对氮素吸收利用效率的提高，从而促进作物生长发育和产量的提高。

3.2 关于减量分次的施肥策略

相较于常规施肥水平1 次施肥，减量施肥水平2次施肥能有效避免稻田高氮素质量浓度下所产生的氮素过量损失，如高施肥量后稻田土壤氮素质量浓度过高所导致的过量氨挥发损失等。原因在于减量施肥水平2 次施肥处理共计施肥2 次，能够保证土壤氮素量在更长时段内处于相对稳定的形态与较适宜的量[37]，避免稻田高氮素情况的出现，有助于促进作物生长过程中对土壤氮素的吸收利用，显著提高肥料利用效率，而且肥料分次施入更符合长时间水稻对养分的需求规律[38]。这也与Abdelraouf 等[39]、窦超银等[40]研究结论较为一致，即在施肥总量一定的前提下，提高施肥频率可以有效提高作物产量。此外，AR 处理在减氮27%的条件下分2 次施入，有效提升了施肥均匀性与肥料的利用效率，促进了稻田整体长势的同步和产量的提升，说明了水肥一体化减量分次施肥能够实现更高的水肥利用效率，有助于避免高施肥量所带来的肥料损失与环境污染。

总之，本研究重点针对土壤氮素及作物生长、产量开展。由于本次试验仅针对水稻穗肥展开，同时也受小区面积、氮肥种类、施肥水平、施肥制度等因素的局限性的影响，使得试验结果具有一定的局限性，因此，下一步有必要针对水稻全生育期多次施肥和不同规格的试验小区开展更多施肥制度对土壤水氮迁移转化、水稻生理生长等方面的研究，为开发更为科学合理的施肥制度而提供参考价值。

4 结论

1）与人工撒施相比，水肥一体化施肥方式显著提高了稻田土壤NH4+-N量（27.4%～50.7%），降低了土壤NO3--N量（15.2%～33.3%）和氮素淋溶损失。

2）与人工撒施相比，水肥一体化施肥方式促进了土壤NH4+-N和NO3--N在水平方向上的运移、减少了土壤NO3--N的深层渗漏，显著提高了土壤氮素分布均匀度。

3）与人工撒施相比，水肥一体化施肥方式显著提高了水稻分蘖数（7.5%）和株高（17.4%），增加了水稻产量（16.4%）。

4）与传统水肥管理方式相比，水肥一体化施肥方式配合“减量分次”施肥管理有效避免了稻田高氮浓度所导致的氮素过量损失问题，提升了稻田土壤含铵氮量与其分布均匀度，是一种具有提高土壤氮素有效性、减少氮素损失与面源污染的水肥管理策略。